燃料電池空壓機技術解析

辛強，陳俠

(1.中國汽車零部件工業有限公司，北京 100083；2.蘇州中汽檢測技術服務有限公司，江蘇蘇州 215134)

0 引言

近年來，在能源危機和環境保護的雙重壓力下，由于對高效清潔能源的需求，燃料電池技術得到了迅速發展。燃料電池技術具有燃料多樣化、排放清潔、噪聲低、環境污染小、可靠性和可維護性好等優點。它被認為是一種具有巨大發展前景的新型能源，其中被認為是世界各國高科技領域的重點工程。

新能源燃料電池工作系統在燃料電池電動車工作中起著至關重要的作用，而此系統的運行離不開空壓機對其提供的壓縮空氣，空壓機的性能直接影響著整個燃料電池系統的壓縮比、效率、噪聲等重要性能指標[1]。

1 燃料電池空壓機介紹

1.1 空壓機種類

目前，車用氫燃料電池空氣壓縮機主要有離心式、螺桿式、羅茨式、渦旋式等[1]。

離心式空壓機轉速高、尺寸小、質量輕，但存在喘振現象，在變工況下，性能會變差，甚至影響到壓縮機的使用和壽命安全[2-3]。

螺桿式屬于機械增壓，在工況變化的情況下，其性能幾乎不變，效率高、可靠性高，但噪聲較大、質量較重[1]。

羅茨式因壓力值達不到氫燃料電池工作的最佳效率點，且振動噪聲大、效率低[1]。

渦旋式受限于自身結構原因，空間占用較大；同時，因無油渦旋空壓機的密封方式為PTFE密封條結構[1]，在工作運轉過程中，密封條磨損大、壽命短；在車用變工況使用的情況下，可靠性差。

燃料電池空壓機如圖1所示。

1.2 基本特性

空壓機在做功過程中，效率、進出壓縮比是性能的重要指標，使用在燃料電池上，空壓機需要具備以下特性[1-3]：

(1)無油。潤滑油膜覆蓋質子交換膜和催化劑會隔絕氫氧電化學反應。

(2)小型化及輕量化。汽車內部空間有限，要提高空壓機的壓縮能力，可以通過增加容積或者增加軸承轉速兩種方式，小型化高轉速是大勢所趨。

(3)低噪聲。目前國內很多車輛的噪聲較大和空壓機密切相關，噪聲源主要來自于空氣與管道之間的摩擦以及空壓機高機械轉動的聲音及轉動的聲音。

(4)動態響應快。車用動力系統會從“氫電鋰電混合”走向氫電全功率驅動，空壓機需要在每個工況下都能及時提供指定壓縮空氣。

(5)控制系統響應快。車輛對需要功率變化較大，空壓機需要能夠及時地做出響應，對空氣流量進行控制。

(6)材料要求高。為了達到壓縮機低成本、低噪聲、耐久性的目的，必須為壓縮機的關鍵部件開發低成本、穩定的摩擦性能和耐磨性的涂層和材料。

根據燃料電池的空氣進氣壓力，可分為低壓(30 kPa)、中壓(60～100 kPa)和高壓(150～300 kPa)燃料電池[1]。低壓燃料電池一般用于通信電源、備用電源、無人機等領域；中壓燃料電池一般應用于客車、物流車等交通領域；乘用車一般配置的燃料電池是高壓的。

由于不同的燃料電池系統所需性能要求不盡相同，在選型上需要考慮到喘振線距離、超負荷工況余量、環境溫度、供電電壓、預充、通信、噪聲、冷卻等因素的影響[1]。目前常用的空壓機類型有離心式、羅茨式、螺桿式3種[2-3]。

另一方面，對于氫燃料電池來說，由于質子交換膜需要保持良好的工作特性，這就要求供氣系統供給燃料電池堆的壓縮空氣必須絕對干凈，因此，對空壓機技術要求十分高。

2 燃料電池空壓機現狀及趨勢

離心式空壓機通過旋轉葉輪[2-3]對氣體做功，在葉輪與擴壓器流道內，利用離心升壓和降速擴壓作用，將機械功轉化為氣體內能。由于具有結構緊湊、響應快、壽命長和效率高的特點，是最被看好的增壓方式之一。表1為最近開發的燃料電池系統中用到的空壓機種類[1]。

表1 最近開發的燃料電池系統中使用的空壓機種類

隨著國內氫燃料電池汽車市場的逐步擴大，圍繞燃料電池的核心零部件也在加快國產化的步伐。從目前國內的氫燃料電池市場來看，螺桿式空壓機所占市場份額相對較多，但現在已經有越來越多的燃料電池和系統廠商開始采用離心式空壓機替換[4-5]。

從目前市場情況來說，有抱負的主機廠面臨最大的問題就是降成本，考慮到開發成本、市場規模和管理等綜合因素，離心式空壓機的成本最高，但由于其結構緊密、體積最小、物理結構的決定，在未來大批量條件下，其成本下降空間最大。

值得注意的是，離心式空壓機在低流量時會發生喘振現象[1]，這會大大影響其系統性能和空壓機的使用壽命。

對于有些燃料電池廠商來說，國產空壓機在可靠性和使用壽命上還存在缺陷，因此對于實際裝車來說，還是以進口產品為主。

目前來看，國產空壓機的優勢在于性價比和售后服務，在依賴進口核心部件中，空壓機率先進行國產化的可能性很大，但要滿足未來大批量需求，還需在可靠性和使用壽命上進行更深入地開發。

3 燃料電池空壓機測試方法解析

燃料電池空壓機一般性能試驗項目包括：隨機振動、溫度循環、溫度沖擊、鹽霧、電磁兼容、耐久性等。

(1)隨機振動試驗：模擬車輛在路面行駛時，前后、上下、左右方向的顛簸狀態，考核空壓機的可靠性。振動試驗主要由以下部分構成：

高壓直流電源：向控制器提供額定電壓；

冷卻系統：向空壓機及控制器提供一定壓力的冷卻水；

壓縮空氣系統：向空壓機提供無油、無水的干凈的壓縮空氣；

振動系統：提供一定頻率、加速度的不同方向振動；

采集系統：采集空壓機進、出口空氣溫度、內部溫度、冷卻水進水溫度、進、出口空氣壓力、進水壓力、出口空氣流量；

控制器及軟件：控制空壓機轉速及監控相關參數。

隨機振動試驗如圖2所示，振動安裝如圖3所示，振動整體示意圖如圖4所示。

圖2 隨機振動試驗示意

圖3 振動安裝示意

圖4 振動整體示意

(2)溫度循環試驗：空壓機定子進行快速溫度變化的溫度循環試驗。考核定子內部的橡膠涂層溫度老化可靠性，如圖5所示。

圖5 溫度循環示意

(3)溫度沖擊試驗：考核空壓機及控制器在溫度急劇變化條件下的環境可靠性，如圖6所示。

圖6 溫度沖擊示意

4 結束語

文中對燃料電池空壓機的基本結構、現狀及趨勢、試驗方法做了介紹，以供讀者參考和使用。

一般來說，如何滿足高效燃料電池系統中壓縮空氣壓力和氣體流量的連續可調性，如何降低壓縮過程中的功耗，保證其可靠性，如何回收燃料電池系統的殘余空氣壓力，提高整體性能。如何降低供氣系統的體積、質量和制造成本，是未來燃料電池供氣系統技術研究的主要方向。